微型计算机基础 (2)课件

单片机原理及应用2012年10月机械类专业必修课专业:机械制造及其自动化0教学内容1、课程准备2、微型计算机基础4、微机系统接口扩展3、微机系统应用程序设计5、微机系统通信接口6、人及交互接口1第一章—微型计算机基础微型计算机是一种能对信息加工处理的机器，它具有记忆、判断和运算能力，能仿效人类的思维活动，代替人的部分脑力劳动，并能对生产过程实施某种控制等等。1946年，美国宾夕法尼亚大学制成世界上第一台ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）电子计算机以来，电子计算机经历了电子管、晶体管和集成电路三个发展时代，于20世纪70年代初出现了第一台微型计算机。最初的计算机只是作为一种现代化的计算工具，而现在微型计算机的应用领域已广泛渗透到国民经济的各个领域和人民生活的各个方面，在信息社会中彰显出日益重要的地位，其科学水平、生产规模和应用程度已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。。2第一章—微型计算机基础1.1.1微型计算机的发展1.微处理器技术的发展第一代，1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel4004微处理器。微处理器进入4位微处理器和低档8位微处理器的时期。1972年3月，Intel公司又推出Intel8008微处理器实现了8位并行运算。第二代，1973年开始，以8位微处理为主的时期。典型产品有：1973年Intel8080；1974年3月，Motorola公司的MC6800；1975~1976年，Zilog公司的Z80；1976年，Intel8085等。4第一章—微型计算机基础第三代，1978年开始，以16位微处理为主的时期。典型产品有：1978年Intel8086；1979年，Zilog公司的Z8000;1979年，Motorola公司的MC68000等。第四代，1981年开始，以32位微处理为主的时期。典型产品有：1983年，Zilog公司的Z80000；1984年，Motorola公司的MC68020；1985年，Intel公司的80386等。这一时期微处理器的集成度达到了空前规模。如80386微处理器集成度为27.5万管/片。自Intel80386芯片推出以来，又出现了许多高性能的32位和64位微处理器，如Motorola的MC68030、MC68040，AMD公司的K6-2、K6-3、K7以及Intel的80486、Pentium、PentiumII、PentiumIII和Pentium4等产品。5第一章—微型计算机基础2.单片微型计算机的发展单片微型计算机的发展，以Intel公司1976年推出的8位单片机为起点，大体经历了三个历史阶段。1974年，美国仙童（Fairchild）公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8，该机由两块集成电路芯片组成，结构独特，具有与众不同的指令系统，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。第一代单片微型计算机（1976~1978）。始于1976年，以MCS-48系列为代表。第二代单片微型计算机（1978~1982）。以Intel公司的MCS-51系列为代表6第一章—微型计算机基础1.1.2微型计算机的分类机主流系列1.单片微机的分类20世纪80年代以来，各大电气及半导体器件厂商纷纷推出自己的产品系列。迄今为止，市场上的单片微机产品已达60多个系列，600余个品种。从不同的角度有不同的分法。从运算位长短分，可分为4位、8位、16位、32位等微机种类；从使用场合的不同，可分为高端单片机和低端单片机；从应用领域分，可分为家电类单片机、工控类单片机、通信类单片机、军工类单片机；按是否通用分，有通用型单片机和专用型单片机。数据处理位数是单片微机的重要标志，因此重点讨论。8第一章—微型计算机基础(1)4位单片机4位单片微型计算机的控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制。这类单片微机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。典型产品有美国NS（Nationalsemiconductor）公司的COP4××系列、Toshiba公司的TMP47×××系列以及Panasonic公司的MN1400系列单片微机。(2)8位单片机8位单片微型计算机的控制功能较强，品种最为齐全。对比4位单片微机，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并集成有全双工串行通讯接口。其他还有16位和32位单片机等类型，根据需要自行选定。9第一章—微型计算机基础2.单片微型计算机的主流系列市场上流行的单片微型计算机种类很多，主要有：美国的Intel、Motorola、Zilog、NS、Microchip、Atmel和TI公司，日本的NEC（日电）、Toshiba（东芝）、Fujitsu（富士通）和Hitachi（日立）公司，荷兰的Philips，英国的Inmos和德国的Siemens（西门子）公司等等。(1)Intel公司的单片微机MCS-51系列单片机是Intel公司1980年推出的8位单片机。80C51是MCS-51系列中的一个子系列，是一族高性能兼容型单片机，Siemens、Philips等公司在80C51基础上推出了与80C51兼容的新型单片机统称80C51系列。10第一章—微型计算机基础1.1.3微型计算机的组成原理20世纪80年代以来，各大电气及半导体器件厂商纷纷推出自己的产品系列。迄今为止，市场上的单片微机产品已达60多个系列，600余个品种。1.以微处理器为中心的微型计算机系统以微处理器为中心的微型计算机系统是在中小型计算机基础上发展起来的，并以大规模集成电路技术为条件的一种新型计算机，和其他计算机相比，其最大特点是采用总线结构，其中三总线结构尤为普遍，目前已成为微型计算机的一种结构。12第一章—微型计算机基础微处理器MPU是通过AB、DB和CB三总线同外围的大规模集成电路ROM存储器、RAM存储器及I/O接口电路相连进行工作的。13第一章—微型计算机基础微处理器是微型计算机的CPU（CentralProcessingUnit），具有运算器和控制器的功能，因而它是组成微型计算机的核心部件。微处理器内部结构极其复杂，从功能上看，主要分三大部分运算器、控制器和寄存器组。

（2）ROM和RAM存储器ROM和RAM是半导体存储器。ROM（ReadOnlyMemory）存储器是一种在正常工作时只能读不能写的存储器，故它通常用来存放固定程序和常数。RAM（RandomAccessMemory）存储器是一种在正常工作时既能读又能写的存储器，通常用来存放原始数据、中间结果、最终结果和实时数据等。RAM中存入的信息不能长久保存，停电后便立即消失，故它又称为易失性存储器。（1）微处理器MPU微处理器是微型计算机的CPU（CentralProcessingUnit），具有运算器和控制器的功能，因而它是组成微型计算机的核心部件。微处理器内部结构极其复杂，从功能上看，主要分三大部分运算器、控制器和寄存器组。

14第一章—微型计算机基础2.以单片微机为中心的微型计算机系统单片微型计算机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等，因此单片微型计算机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个计算机应用系统。16第一章—微型计算机基础（1）中央处理器CPUCPU是单片机的核心部分，通常由运算器、控制器和中断电路等组成。CPU进行算术运算和逻辑操作的字长同样有4位、8位、16位和32位之分，字长越长运算速度越快。（2）存储器单片微型计算机中，ROM和RAM存储器是分开制造的。ROM存储器用于存放应用程序，故又称为程序存储器。目前，单片微型计算机根据片内ROM的结构，可分为无ROM型、ROM型和EPROM型三类，常用常见的是新出现的具有E2ROM和Flash型ROM存储器的产品。RAM存储器主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。17第一章—微型计算机基础（3）I/O接口和特殊功能部件I/O接口电路有串行和并行两种。串行I/O用于串行通信，它可以把单片机内部的并行8位数据（８位机）变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给CPU处理。并行I/O电路可以使单片微型计算机和存储器或外设之间并行地传送8位数据（8位机）。特殊功能部件指单片微型计算机集成的定时器/计数器、A/D和D/A、DMA通道等电路。定时器/计数器用于产生定时脉冲，以实现单片机的定时控制；A/D和D/A转换器用于模拟量和数字量之间的相互转换，以完成实时数据的采集和控制；DMA通道可以使单片机和外设之间实现数据的快速传送。因此，单片微型计算机集成的特殊功能部件及其数量与产品的型号有关。18第一章—微型计算机基础1．十进制一种数制最基本的特征是它的基数，基数是指数制中表示数值的数码个数。日常生活中，人们习惯使用十进制，它有10个符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，即十进制有10个数码，基数为10。它的计数规则是“逢十进一，借一当十”。数的表示法一般采用位置计数法。每一个数码和数码所在的位置载有该数大小的数值称为“权”。每个位置的“权”可以用基数的乘方表示。如数(53891)10可表示为：53891104103102101100万千百十个按位权展开表示为：53891=5×104+3×103+8×102+9×101+1×10020第一章—微型计算机基础十进制小数的位权是以10的负次方幂表示的，如10-1=0.1，10-2=0.01。所以有n位整数和m位小数十进制数D(Decimalnumber)用按权展开表示为：m和n取正整数。21第一章—微型计算机基础2．二进制二进制的基为“2”，数字符号为0和1，其计算规则为“逢二进一，借一当二”。二进制各位的权是以2为底的幂，例如数(10111)2可表示为：二进制10111权2423222120十进制168421任意二进制数B(Binarynumber)按权位展开为：2．二进制二进制的基为“2”，数字符号为0和1，其计算规则为“逢二进一，借一当二”。二进制各位的权是以2为底的幂，例如数(10111)2可表示为：22第一章—微型计算机基础各数制的数码对照表二进制、八进制、十进制、十六进制数码对照表十进制数十六进制数八进制数二进制数十进制数十六进制数八进制数二进制数000000099111001111000110A121010222001011B131011333001112C141100444010013D151101555010114E161110666011015F1711117770111161020100008810100024第一章—微型计算机基础在编写计算机程序时，数据的书写可以用各种计数制来表示，为了区别不同的计数制，可以在数的右下角用数字标注该数的数制，例如，八进制数342.32可以写成(342.32)8。此外，还可以采用数据加后缀作标识：D后缀表示十进制（Decimal），如3438D表示十进制数3468；B后缀表示二进制（Binary），如01110101B表示二进制数01110101；O后缀表示八进制（Octal），如2632O表示八进制数2632，由于O容易与0相混淆，统常用Q代替；H后缀表示十六进制（Hexadecimal），如96A7BH表示十六进制数96A7B。25第一章—微型计算机基础1.2.2微型计算机数制之间的转换人们习惯使用十进制，但计算机的算术运算和逻辑运算是以二进制为基础的运算，因此在解决问题时，需要把问题变成计算机能够“理解”的形式，这就需要把十进制数转换成二进制代码。当计算机运算完毕时，又需要把获得的二进制结果转换为十进制数，以满足人们的工作习惯。二进制数通常位数多，书写麻烦，而十六进制数易于书写，在编程时多为人们采用。因此，在应用中，同一个数据在不同场合需要用不同的数制来表示，不同进制数在计算过程中完成相应转换，转换前后两数应相等。26第一章—微型计算机基础将十六进制数61.B转换成十进制数。计算过程如下：2．十进制数转换为其他进制数（1）十进制数转换二进制数十进制数通常分为整数部分和小数部分，转换时要分别进行计算。28第一章—微型计算机基础

整数部分的转换方法为“除2取余数，结果倒排序”，即将整数部分除以2，得到整数商和余数，对商再除以2，又得到商和余数，继续这一过程，直到商等于0为止，在将所得的一系列余数按逆序排列，即得到整数部分对应的二进制数。

小数部分的转换方法为“乘2取整数，结果顺排列”，即将小数部分乘以2，乘积保留整数部分，再将所得乘积小数部分乘以2，再保留整数部分，继续这一过程，直到达到有效位数或小数部分等于零为止，然后将所得的整数部分按顺序排列，即得到小数部分对应的二进制数。

将整数部分和小数部分所得的二进制数合起来，便得到转换后的二进制数。小数部分转换中，乘积的小数部分常常是总不为零，二进制小数的位数可能很多，转换时可以根据精度要求，取一定的位数即可。29第一章—微型计算机基础例3将(41.495)10转换为二进制数。解1）先将整数部分转换为二进制数，计算过程如下：因此有(41)10=(101001)2。30第一章—微型计算机基础2）小数部分转换为二进制数，计算过程如下：因此有(0.495)10=(0.0111)2。综合起来，得(41.495)10=(101001.0111)2。31第一章—微型计算机基础（2）十进制数转换为任意进制数把十进制转换为任意进制数的方法和十进制转换成二进制数相似，整数部分采用除以基数取余数的方法，然后倒排序；小数部分是乘以基数得整数的方法，然后顺排序，最后再将其结果分别排列在一起即可。例4将十进制数(97.0664)10转换成十六进制数。解：1）先将整数部分转换为十六进制，计算过程如下：因此有(97)10=(61)16。32第一章—微型计算机基础2）小数部分转换为十六进制数，计算过程如下：所以有(0.0664)10=(0.10FF)16。综合起来，(97.0664)10=(61.10FF)16。33第一章—微型计算机基础3．二进制数与八进制数、十六进制数之间的转换（1）二进制数与八进制数之间的转换由于23=8，24=16，所以每三位二进制数对应一位八进制数，每四位二进制数对应一位16进制数，因此二进制与八进制、十六进制之间的转换可以通过表1-1之间的对应关系进行转换。转换方法：以小数点为界线，分别向左或向右按三位二进制进行分组，不足三位的在前面或后面补足三位。参照表1-1，再将每一组二进制数转换为一位八进制数，排列后即为二进制数对应的八进制数。二进制数和八进制数之间的转换过程可逆。34第一章—微型计算机基础例5将二进制数11110.11转换成八进制数。转换过程如下：所以有，(11110.11)2=(36.6)8。例6将八进制数35.6转换成二进制数，转换过程如下：所以有，(35.6)8=(11101.11)2。35第一章—微型计算机基础（2）二进制数与十六进制数之间的转换转换方法：以小数点为界线，分别向左或向右按四位二进制进行分组，不足四位的在前面或后面补足四位。参照表1-1，再将每一组二进制数转换为一位十六进制数，排列后即为二进制数对应的十六进制数。二进制数和十六进制数之间的转换过程也可逆。例7将二进制数11011101111.0110101B转换为十六进制数，转换过程如下：所以有，11011101111.0110101B=(6EF.6A)16。36第一章—微型计算机基础例8将十六进制数EF.C转换成二进制数，转换过程如下：所以有，(EF.C)16=(11101111.11)2。37第一章—微型计算机基础综上所述，不同进制数之间进行转换时需要注意以下几点：1）一个二进制数可以准确地转换为十进制数，而一个带小数的十进制数不一定能够准确地用二进制来表示；2）带小数的十进制数在转换为二进制数时，以小数点为分界，整数和小数要分别转换；3）二进制与八进制、十六进制数进行相互转换方便，且能准确地相互转换，因此带小数的十进制数向八进制或十六进制转换时也存在精度问题；4）十六进制数表示二进制数长度较短，且微机中数据表达和编程方便，因此二进制数与十六进制数之间的转换必须十分熟悉。38第一章—微型计算机基础1.3微型计算机的码制和编码数据是计算机的处理对象，在计算机中采用基2码进行编码，它包括数值数据和非数值数据两类。数值数据可分为有符号数和无符号数，有符号数又有正、负之分，而且数值数据又有整数和小数之分，存在小数点。本节重点对数据的表示问题进行讨论。39第一章—微型计算机基础1.3.1微型计算机中数的表示方法计算机所处理的数据中，对于无正、负意义的数，称为无符号数。而算术运算中的数，存在正负之分，这类数称为带符号数，通常规定一个数的最高位为其符号位。带符号数的正号（+）、负号（-）采用“0”和“1”来表示，“0”表示正数的符号，“1”表示负数的符号。例如，8位二进制数，计算机一般用D7位来表示符号，如。1．机器数与真值（数的符号表示）40第一章—微型计算机基础上述表示方法中，D7为0表示数据为正，为1表示数据为负。例如，有符号二进制数+110101B和-110101B在计算机中分别表示为0110101B和1110101B。为了区别原来的数与它在计算机中的表示形式的不同，符号位和数值位一起作为一个数称为机器数，机器数能被计算机正确识别，而数据的实际数值称为机器数的真值。2．小数的表示计算机中，小数点通常采用两种表示方法，即定点表示法和浮点表示法。41第一章—微型计算机基础1）定点表示法定点表示法指小数点在数中的位置是固定不变的。因此，在计算机中数的小数点是隐含的。一个二进制数可以写成如下形式：式中J—二进制整数，称为数N的阶码；2—阶码的底；S—为尾数，为K位二进制小数，是N全部有效数字。例如1011.11B=0.1011101×2100。42第一章—微型计算机基础式（1-2）也可以表示如下：J指明了小数点的位置，当J=K时，定点数为整数，即小数点被固定在数值位最低有效位之后，定点数为纯整数。43第一章—微型计算机基础例91011.101B=0.1011101×2100，表达式中，J=4，而K=7，为了化成定点整数，将表达式右侧二进制数再右移3位，即为1011.101B=0.0001011101×2111。若字长8位，则数值部分取0001011。当J=0时，定点数就是定点小数。例100.00010111×211=0.10111×20这时J=0，此数字就是定点小数。J码固定不变的二进制数的表示法称为定点表示，这样的数为定点数，机器称为定点机。44第一章—微型计算机基础2）浮点表示法浮点表示法是指小数点在数中的位置是浮动可变的。由于计算机不能识别小数点“.”，数据中的小数点用J表示表示小数点的位置，J称为浮点数的阶码，阶码包括阶码的符号（又称为阶符）Jf和阶码JM两部分。尾数S包括尾数符号Sf和尾数SM两部分。SM通常采用定点小数形式表示，它决定了浮点数的精度。计算机中，浮点数的表示如下：45第一章—微型计算机基础例11采用十六位二进制数表示一个浮点数，阶码占5位，尾数和数符占11位，把实数84.375表示为浮点数。解84.375=1010100.011B=0.1010100011×2+111阶码J=+111，尾数S=0.1010100011，尾数符号为0，则浮点形式为46第一章—微型计算机基础1.3.2微型计算机中的原码、反码和补码二进制数据的正负可以用一位二进制的“0”和“1”两个状态来表示。计算机对数据进行运算时，直接对符号位进行计算得到的是错误的结果，因此为了简化对二进制数值数据实现算术运算，需要将二进制数据进行编码表示，常用的编码有原码、反码和补码。为了讨论方便，首先引入两个概念：机器数和真值。机器数：带符号的二进制数值数据在计算机内部的编码；真值：机器数所代表的实际值。47第一章—微型计算机基础1．原码设真值为X，机器字长为n位，在二进制数X的原码定义为：一个数的原码就是该数的机器数，它的最高位为符号位，且用“0”表示正，用“1”表示负，其余各位为数值位。因此，二进制正、负数的原码就是符号化的机器数真值本身。例12已知X=+1110010B，Y=－11011B，求X，Y的原码（机器字长为8位）。设真值为X，机器字长为n位，在二进制数X的原码定义为：[X]原=01110010B；[Y]原=10011011B。48第一章—微型计算机基础例13已知[X]原=01010011B；[Y]原=10101100B，求X和Y的真值。解：由式（1-3），已知原码求真值，只需用“+”、“-”分别取代符号位中的“0”和“1”即可。所以有，。X的真值为：+1010011BY的真值为：－101100B2．反码设真值为X，机器字长为n位，在二进制数X的反码定义为：49第一章—微型计算机基础对于正数，其反码就是该数的原码；对于负数，其反码就是机器数符号位保持不变，其余按位取反。例14已知X=+11010B，Y=－100010B，求X和Y的反码（机器字长为8位）。解：由式（1-4）得：[X]反=[X]原=00011010B[Y]反=11011101B例15已知[X]反=01111101B，[Y]反=11111111B，求X和Y的真值。解：根据原码与真值之间的关系，先求出原码，然后求真值。50第一章—微型计算机基础根据X和Y的反码值，X≥0，则[X]原=[X]反，X的真值为：+1111101B，即+125。Y≤0，则[Y]原=10000000B，Y的真值为：－0000000B，即0。3．补码设真值为X，机器字长为n位，在二进制数X的补码定义为：对于正数，其补码就是该数的原码；对于负数，其补码就是机器数符号位保持不变，其余按位取反后末位加1。3．补码设真值为X，机器字长为n位，在二进制数X的补码定义为：51第一章—微型计算机基础求二进制数的补码应注意：（1）在补码表示法中，0只有一种表示，即000…000;（2）对于10000000这个补码编码，其真值被定义为－128；（3）负数的补码再取补码等于原码。例16已知X=+48D，Y=－48D，机器字长n=8位，求X和Y的补码。解：首先将＋48D转换为二进制数：＋110000B。由于机器字长是8位，符号位占1位，所以数值占7位。再根据正数的补码等于原码，得：[X]补＝00110000BY写成二进制数：Y＝－110000B。为求Y的补码，首先求Y的原码：[Y]原＝10110000B。根据式(1-5)，Y的补码为：[Y]补＝11010000B52第一章—微型计算机基础例16已知[X]补=00011001，[Y]补=11111111，求X和Y的真值。解：由于X≥0，所以[X]原=[X]补=00011001B，X的真值为+0011001B，即+25。由于Y≤0，所以[Y]反=[Y]补－1=11111111－1=11111110B。所以有，[Y]原=10000001，Y的真值为－0000001B，即－1。综合来讲，一个有符号数究竟采用何种形式的机器数，必须事先约定；对微型计算机系统来讲，一般采用补码形式表示机器数。有符号数采用补码形式表示后，符号位可以直接参与运算，使运算器的结构简化，降低了机器的成本。53第一章—微型计算机基础1.3.3微型计算机中的二进制编码计算机不仅要处理数值数据，而且还要处理大量的非数值数据，例如英文大写字母A~Z，标点符号，汉字，专用符号、非数据性数码（如电话号码），而计算机在信息处理过程中，只能识别二进制数，而二进制数只有“0”和“1”两个数，仅用0和1表示非数值性数据存在困难，因此二进制编码就是用一组二进制数来表示字母、字符和数码。1．字符编码在微型计算机中，使用最多最普遍的编码形式是ASCII字符编码，即美国标准信息交换码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，ASCII）。54第一章—微型计算机基础表1-2ASCII字符编码B6B5B4B3B2B1B0000(0)001(1)010(2)011(3)100(4)101(5)110(6)111(7)0000(0)NULDLESP0@P`p0001(1)SOHDC1﹗1AQaq0010(2)STXDC2＂2BRbr0011(3)ETXDC3#3CScs0100(4)EOTDC4$4DTdt0101(5)ENQNAK%5EUeu0110(6)ACKSYN&6FVfv0111(7)BELETB＇7GWgw1000(8)BSCAN(8HXhx1001(9)HTEM)9IYiy1010(A)LFSUB*:JZjz1011(B)VTESC+;K[k{1100(C)FFFS,<L\l|1101(D)CRGS－=M]m}1110(E)SORS.>N^n~1111(F)SIUS/?O_oDEL55第一章—微型计算机基础2．8421BCD码8421BCD（BinaryCodedDecimal）码是二进制编码的十进制数，它是将十进制数码0~9分别用四位二进制数来表示。四位二进制码的位权从高到低分别为8、4、2、1，选择的是0000，0001，0010，…，1001这10种组合。表1-4BCD码与十进制数码对照表十进制数码01234567898421码0000000100100011010001010110011110001001例18将十进制数67.9转换成BCD码。解：转换过程如下：67.901100111.1001因此有(67.9)10=(01100111.1001)BCD。56第一章—微型计算机基础1.4微型计算机的二进制运算微型计算机的运算包括算术运算和逻辑运算。算术运算包括加、减、乘和除四种运算，而在微型计算机内部常常只有加法电路，在加法电路的基础上完成算术的四种基本运算。57第一章—微型计算机基础1.4